​新（xīn）能（néng）源汽車（chē）技術分類及三大核心技術詳（xiáng）解

       為了（le）使（shǐ）新能（néng）源愛好者和初級研發人員更好地了解新能源汽車的核心技（jì）術，筆者（zhě）結合研發過（guò）程中的（de）經驗總結（jié），從新能源汽車分類（lèi）、模塊規劃、電控技術和充電設施等方麵進行了分析。

　　1 新能（néng）源汽車分類（lèi）

　　在（zài）新能（néng）源汽（qì）車分類中，“弱混、強混”與“串聯、並聯”不同分類（lèi）方（fāng）法令非業內人士感到困惑（huò），其實這（zhè）些名稱是（shì）從不同角度給（gěi）出的解釋（shì）、並不（bú）矛盾。

　　1.1消費者角度

　　消費者角度通常按照混合度進行劃分，可分為起停、弱混、中混、強（qiáng）混（hún）、插電和（hé）純電動，節油效果和成本增等指標（biāo）加如表1所示。表中“-”表示無此功能或（huò）較弱、“+”個數越多表示效果越好，從表中可以看出隨著節油效果改善、成（chéng）本增加也較多。

　　1.2技術角度

　　1 技術角度分類

　　技術角度由簡到繁分為純電動、串（chuàn）聯混合（hé）動力（lì）、並聯（lián）混合動力及混聯混合動（dòng）力，具體如（rú）1所示。其中P0表示BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停裝置)係統，P1代表ISG(Integrated starter generator，啟（qǐ）動機和發電（diàn）機一（yī）體（tǐ）化裝置)係統、電機處於發動機和離合器之間，P2中電機處（chù）於離合器（qì）和變速器輸入端（duān）之間，P3表示電機處（chù）於變速器輸出端或布置於後軸，P03表示P0和P3的組合。從統計表中（zhōng）可以看出，各種結構在國內外乘用或商用車中均得（dé）到廣（guǎng）泛應用（yòng），相對來說P2在歐洲比較流行，行星排結構（gòu）在日係和美係車輛中占主導地位，P03等組合結構在四驅車輛中應用（yòng）較為普遍、歐藍德和（hé）標（biāo）致3008均已實現量產。新能源車型選擇應綜（zōng）合（hé）考慮（lǜ）結構複雜性、節油效果（guǒ）和成本增加，例如由通用、克萊斯勒和（hé）寶馬聯合（hé）開（kāi）發的三行星排雙模係統，盡管節油效果較（jiào）好，但由於結構複雜（zá）且成本較高，近十（shí）年間的市場表（biǎo）現不盡如人意。

2 新能源汽車模塊規劃

　　盡管新能源汽車分（fèn）類複雜，但其中共（gòng）用的模塊較多，在開發過程中可采用模塊化方法，共享平台、提高開發速度。總體上講，整個新能源汽車可分為三級模（mó）塊體係、如（rú）2所示，一級（jí）模塊主要是指執行係統，包括充電設備、電動附件、儲能係統、發動機、發電機、離合器（qì）、驅動電機和齒（chǐ）輪箱。二級模塊分為執行係統和控製係統兩部分，執行部分（fèn）包括充電設備的地麵充（chōng）電機、集電器和車載充電機，儲能係統的單體、電箱和PACK，發動機（jī）部分（fèn）的氣體機、汽油機和柴油機，發電機的永磁同步和交流異步，離合器中的幹式和濕式，驅動電機（jī）的永磁同步和交流異步，齒輪箱部分的有級式自動變速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和減速齒輪；二級模塊的控製係統包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別表示電池管（guǎn）理係統、發動機（jī）電子控（kòng）製單元（yuán）、發電機控製器、離合器（qì）控製單元、電機控製器、變速器控製係統和整車控製器。三級模（mó）塊體係中，包括電池（chí）單體（tǐ）的功率型和能量型，永磁和異步電機的水冷和風冷形（xíng）式，控製係統的三級模塊主要（yào）包括（kuò）硬件、底層和應用層軟件。

　　2三（sān）級模塊體係

　　根據功能和控製的相似性，三級模塊（kuài）體係的部分模塊可組成純電動(含增程式)、插電並聯混（hún）動（dòng）和插電混聯混動三（sān）種平台架構（gòu），例如純電動(含增程式)由充電設備、電動附（fù）件（jiàn）、儲能（néng）係（xì）統、驅動（dòng）電機和齒輪箱組成。各平台模塊的通（tōng）用性較強，采用平（píng）台和模塊的（de）開發方法，可共（gòng）享核心部件資源，提升新能源係（xì）統的安全性和可靠性，縮短周期、降低研發及采購成本

　　3 新能源三大核心技術

　　在三級（jí）模塊體係和平台架構中，整車控製器(VCU)、電（diàn）機控製器(MCU)和電池管理係統(BMS)是最重要（yào）的核心技術，對整車的動力（lì）性、經濟性、可靠性和安全性等有（yǒu）著重要影響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現（xiàn）整車控製決策的核心電子控製單元（yuán），一般僅新能源汽車配備、傳（chuán）統燃油車（chē）無需該裝置。VCU通過采集油門踏板、擋位、刹車踏板等信號來判斷駕駛員的（de）駕駛意；通過監測車輛狀態(車速、溫度等)信息，由VCU判斷處理後，向動力係統、動力（lì）電池係（xì）統（tǒng）發送車輛的運（yùn）行狀態控製（zhì）指令（lìng），同時控製車載附件（jiàn）電力係統的工作模式；VCU具有整車係統故障診斷保護與存儲功能。

　　3為VCU的結構組成，共包括外殼、硬件電路、底層軟件和應用層軟件（jiàn），硬件電路、底層軟件和應用層軟件是VCU的關鍵（jiàn）核心技術。

　　3 VCU組成

　VCU硬件采用標準化核心模塊電路( 32位主處理器、電源、存儲器、CAN )和VCU專用電路(傳感器采集等)設計；其中標準化核心模塊電路可移植應用在MCU和BMS，平台化硬件將具有非常好的可移植性和擴展性（xìng）。隨著汽車級處理器技術的發展，VCU從基於16位向32位處理器芯片逐（zhú）步過渡，32位已成為業界的主流產品。

　　底層軟件以AUTOSAR汽車軟（ruǎn）件開放式係統架（jià）構（gòu）為標準，達（dá）到電子控製單元(ECU)開（kāi）發共平台的發展目標，支持新能源汽車不同的控製係統；模塊化軟件組件以軟件複（fù）用為目標，以有效提高軟件質量、縮短軟件開發周期（qī）。

　　應用層軟件按照V型開發流程、基於（yú）模型開發完（wán）成，有利於團隊協作和平台拓展；采用快速原型工具和模型在環(MIL)工（gōng）具對軟件（jiàn）模型進行驗證，加快開發速度；策略文檔和軟件模型均采用專用版（bǎn）本工具進行管理，增強可追溯性；駕駛員轉矩解析、換擋（dǎng）規律、模（mó）式切換（huàn）、轉矩分配和（hé）故障診斷策略等是應用層的關鍵技術，對車輛動力性、經（jīng）濟性和可靠性有著重要影響。

　　表2為世界主流VCU供應（yīng）商的技術參數，代表著VCU的發展動態（tài）。

　　3.2 MCU

　　MCU是新能源汽車特有的核心（xīn）功率電子單元，通過接收VCU的車輛行駛控製指令，控製電動機輸出指（zhǐ）定的扭矩和轉速，驅動車輛行（háng）駛。實現把動力電池的直流電能轉換為所需的高壓交流電、並驅動電機本體輸出機械能。同時，MCU具有電機係統故障（zhàng）診斷保護和存儲功能。

　　MCU由外殼及冷卻係統、功率電子單元、控製電路、底層軟件和控製算法軟件組成，具體（tǐ）結（jié）構如4所示。

　　4 MCU組（zǔ）成

　　MCU硬件電路采用模塊化（huà）、平台化設計理念(核心模塊與VCU同平台)，功率驅動部分采用多重診斷保護功能（néng）電路設計，功（gōng）率回路部分采用汽車級IGBT模塊（kuài）並聯技術、定製母線電容和集（jí）成母排設計；結構部分采用高防護等級（jí）、集成一體化液冷（lěng）設計。

　　與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放（fàng）式係統架構為標準，達（dá）到ECU開發共同平（píng）台的發展目標，模塊（kuài）化（huà）軟（ruǎn）件組件以軟件複（fù）用（yòng）為目標。

　　應用層軟件按照功能設計一般可分為四個模（mó）塊：狀態控製、矢量算（suàn）法、需求轉矩計算和診斷模塊。其中（zhōng），矢量算法模塊（kuài）分為MTPA控製和弱磁控製。

　　MCU關鍵技術方案（àn）包括：基於32位（wèi）高性能雙（shuāng）核主處理器；汽車級並聯IGBT技術，定製薄（báo）膜母（mǔ）線電容及（jí）集成化功率回路設計，基於AutoSAR架構平台軟件（jiàn）及（jí）先進SVPWM PMSM控製算（suàn）法（fǎ）；高防護等級殼體及集成一體化水冷散熱設計。

　　表3為世界主流 MCU硬件供應商的技（jì）術參數，代表著MCU的發（fā）展動態。

　　表3 MCU技術參數

　　3.3 電池包和BMS

　　電池包是新能源汽車核心能量源，為整車提供驅動電能，它主要（yào）通過金屬（shǔ）材（cái）質的殼體包絡構成電池包主體。模塊化的結構設計實現了電芯的集成，通過（guò）熱管理設計與仿真（zhēn）優化電池包熱管理性能，電器部件及線束實現了控（kòng）製係統對電池的安全保護及連接路徑；通過BMS實現對電芯的管理，以及與整車的通（tōng）訊及信息交換。

　　電池包組成如5所示，包括（kuò）電芯、模塊（kuài）、電氣係統、熱（rè）管理係統、箱體和BMS。BMS能夠提高（gāo）電池的利用率，防止電（diàn）池出（chū）現過充（chōng）電和過放電，延長電池的使用壽命，監控電池的狀態。

　　5 電池包組成

　　BMS是電池（chí）包最關鍵的零（líng）部件，與VCU類似，核心部分（fèn）由硬件電路、底層軟件和應用層軟件組成。但BMS硬件由主（zhǔ）板（bǎn）(BCU)和從板(BMU)兩部分組成，從（cóng）版安（ān）裝於模組內部，用於檢測單體電壓、電流（liú）和均衡控製；主板安裝位置比較靈活，用（yòng）於（yú）繼電器控製、荷電狀態值(SOC)估計和電（diàn）氣傷害保護等。

　　BMU硬件部分完成電池單（dān）體電壓和（hé）溫度測量，並通過高可靠性（xìng）的數據傳輸通道（dào）與BCU 模塊進行指令及數據的雙向傳輸。BCU 可選用基於汽車功能安全架構（gòu）的32 位微處理器完成總電壓采集、絕緣檢測、繼電器驅動及（jí）狀態監測等功能。

　　底層軟件架構符合AUTOSAR標準，模塊化開發容易（yì）實現擴展和移植，提高開發效率。

　　應用層軟件是BMS的控製核心，包（bāo）括電池（chí）保護、電（diàn）氣傷害保護、故障診斷（duàn）管理、熱（rè）管理、繼電器控製、從板控製、均衡（héng）控（kòng）製、SOC估（gū）計和通訊管理等模塊，應用層軟（ruǎn）件架構如6所示。

　　6 應用層軟件架（jià）構

　　表（biǎo）4為國內（nèi）外主流 BMS供應商的技術參數，代表著BMS的發展動態。

　　表4 BMS技術參數

　　4 充電設施

　　充電設施不完善是阻礙（ài）新能源汽車市場（chǎng）推廣的重要因素，對特斯拉成功的解（jiě）決方案進行分析，並提出新能源汽車的充電解決方案、剖析充電係統（tǒng）組成。

　　4.1 特斯拉充電方案分析（xī）

　　特斯（sī）拉超級充（chōng）電器代表了當今世界最先進的充電技術，它為MODEL S充電的速度遠高於大多數充電站，表5為特斯拉電池和充電參數。

　　表5電池和充電參數

　　特（tè）斯拉具有5種充電方式，采用普（pǔ）通110/220V市電插座充（chōng）電，30小（xiǎo）時充滿；集成的10kW充電器，10小時充滿；集成的（de）20kW充電器，5小時充滿；一種快速充電器可以（yǐ）裝在家庭牆壁或者停車場，充電時間可縮短為5小時； 45分鍾能充80%的電量、且電費（fèi）全免，這（zhè）種快充裝置僅在北美市場比較普遍。

　　特斯拉使用太陽能電池板遮陽棚的充電站，既（jì）可以抵消能源消耗又能夠遮陽。與在加油站加油需要付費不同，經過適（shì）當配置的 MODEL S 可以在任何開放充電站免費（fèi）充電。

　　特斯拉充電技術（shù）特點可總結如下兩點：1)特斯拉充電站（zhàn）加入了太陽能充電（diàn）技術，這一技術使充電站盡可能使用清潔能源，減少對電（diàn）網的依賴，同時也（yě）減少了對（duì）電網的（de）幹（gàn）擾，國內這一技術也（yě）能實現。 2)特斯拉充電（diàn）時（shí）間短也不足為奇，特斯拉的充電機容量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通快充一樣，並（bìng）沒有采用更大（dà）的充電倍（bèi）率，所以不會影響電池壽命；20分鍾充到40%，就能滿足續航要求，主要原（yuán）因是電池容量大。

　　4.2 充電（diàn）解決方案

　　7充（chōng）電（diàn）係統組成

　　7為一種可參考的新能源汽車充電解決方案，充電係統組成：配電係（xì）統(高壓配電櫃、變壓器（qì）、無功補償裝（zhuāng）置和低壓開關櫃)、充電（diàn）係統(充電櫃和充電機終（zhōng）端（duān）)以及儲（chǔ）能係統(儲能（néng）電池與逆變（biàn）器櫃)。無功補償裝置解決充電係（xì）統對電（diàn）網功率因數影響（xiǎng），充電櫃內充電機一般都具備有源濾波功能、解決諧波電流和功率因數問（wèn）題。儲能電池和逆變器櫃（guì）解決老舊配電係統無法（fǎ）滿足充電站容量要求（qiú）、並起到削峰填穀作用，在不充電時候進行儲能，大容（róng）量充電且配電係統容量不足時釋放（fàng）所儲能量進行充電（diàn）。如（rú）果新建配（pèi）電係統容量足夠，儲（chǔ）能電池和逆變器櫃可以不（bú）選（xuǎn）用。風（fēng）力發電和光伏發電為（wéi）充電係統提供清潔能源，盡量減少從電（diàn）網取電。

　　5 總結

　　從消費（fèi）者和技術角度分別對新（xīn）能源（yuán）汽車結（jié）構進行歸納分類，分析各種結構的（de）優勢，以及國內外各主機廠的（de）應用情況。分析新能源汽車的模塊組成和（hé）平台（tái）架（jià）構，詳（xiáng）細介紹了三級模塊體係中相關的執行係統和控（kòng）製係統。分析VCU、MCU和BMS的結構組（zǔ）成及關鍵技術，以及世界主流供應商的技（jì）術參（cān）數和發展動態。對特斯拉成功的解決方案進行分析，並提出新（xīn）能（néng）源汽（qì）車的充電解決方案。